壽建敏 周紫荊

(上海海事大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 上海 201306)

0 引言

近年來中國的天然氣消費(fèi)需求呈擴(kuò)張趨勢,且供應(yīng)缺口逐年變大, 天然氣對外依賴度不斷攀升。中國進(jìn)口天然氣主要通過液化天然氣(LNG)海運(yùn)和管道氣運(yùn)輸兩種方式, 其中海運(yùn)進(jìn)口的天然氣占比不斷提高。據(jù)預(yù)測, 未來中國LNG的進(jìn)口量在2022年將達(dá)到8032.5萬噸, 并將持續(xù)增長,這使LNG進(jìn)口來源的穩(wěn)定性和可靠性成為關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著北極天然氣資源的逐步開發(fā)、北極東北航道通航條件的日益改善, 以及中俄兩國在“冰上絲綢之路”上的合作深化, 從俄屬北極地區(qū)進(jìn)口LNG已在近年變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。未來, 通過北極東北航道進(jìn)行LNG海運(yùn)進(jìn)口將會成為我國緩解天然氣供應(yīng)不足壓力, 促進(jìn)能源安全的有效途徑。

在此背景下, 許多學(xué)者對北極航線的航運(yùn)經(jīng)濟(jì)可行性作了相關(guān)研究。蔡梅江等[1]從航行里程、節(jié)省船期的角度論證了北極航線的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢, 并且分析得出LNG船將會成為北極航道商業(yè)航行上的主流船型之一。駱巧云和壽建敏[2]對北極東北航線和傳統(tǒng)航線的LNG運(yùn)輸進(jìn)行比較, 從里程、航次、運(yùn)輸成本三方面論證了北極東北航線LNG運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性。此外, 船舶在通過北極東北航道的運(yùn)輸過程中, 其冰級、起訖港等對于運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性存在著一定的影響[3]。李振福等[4]基于海運(yùn)里程和單船必要運(yùn)費(fèi)率兩方面分別比較了通過北極東北航線、蘇伊士運(yùn)河航線、好望角航線進(jìn)行跨亞歐LNG運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性, 發(fā)現(xiàn)三條航線中北極東北航線的必要運(yùn)費(fèi)率更低, 更具運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性。徐海棟和鄭明非[5]對不同運(yùn)輸模式下的北極LNG海運(yùn)成本進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)模式下的LNG運(yùn)輸較直運(yùn)更為經(jīng)濟(jì)。Koz’menko等[6]對比了俄羅斯北極地區(qū)的天然氣通過管道以及海上運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)往德國、中國、意大利、土耳其的運(yùn)輸成本, 研究發(fā)現(xiàn)每0.1萬立方米天然氣海上運(yùn)輸成本比管道氣平均低40.2%。Liu和 Kronbak[7]研究得出在破冰引航費(fèi)用降低的情況下北極航線具有較大經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢, 且航行距離的縮短能夠減少碳排放。

綜合眾多學(xué)者針對北極東北航線經(jīng)濟(jì)性的研究成果, 目前還存在著一些需深入研究的方面。(1)船舶航次成本并沒有按照東北航道各航段的冰情差異分別計(jì)算航速以及航行費(fèi)用; (2)沒有充分考慮夏秋季節(jié)以及冬春季節(jié)對于航次時間和航行成本的影響; (3)目前的北極東北航線經(jīng)濟(jì)性研究主要集中在單船的運(yùn)輸成本上, 沒有結(jié)合現(xiàn)實(shí)運(yùn)輸需求研究船隊(duì)配置的經(jīng)濟(jì)性。在中俄共建“冰上絲綢之路”, 合作開發(fā)北極的大背景下, 未來中國將從北極地區(qū)不斷增加LNG的進(jìn)口量。因此, 無論是從國際市場的角度還是從資源壟斷開采企業(yè)的角度運(yùn)輸LNG ,都存在進(jìn)行最佳運(yùn)輸船型的選擇以及最經(jīng)濟(jì)船隊(duì)規(guī)模配置的決策問題, 北極航運(yùn)全成本的研究將為企業(yè)的內(nèi)部成本控制、LNG合理定價、提高資源市場競爭力等方面提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 進(jìn)口北極LNG的基礎(chǔ)條件

北極地區(qū)的豐富天然氣資源和中俄兩國不斷深入的天然氣項(xiàng)目合作, 為中國拓展氣源地, 并進(jìn)口北極天然氣奠定了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。東北航道通航條件的逐步改善也為中國縮短能源進(jìn)口距離、直接通過白令海峽航道進(jìn)口俄屬北極地區(qū)的天然氣提供了基本運(yùn)輸保障。

1.1 北極天然氣資源開發(fā)狀況

據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局報(bào)告顯示北極天然氣待發(fā)現(xiàn)量是4.4×1014m3, 占世界未探明天然氣資源的30%[8]。主要北極國家的天然氣儲量以俄羅斯最為豐富, 而俄屬北極地區(qū)天然氣占俄總儲量的70%以上。俄羅斯已探明的天然氣儲量為3.8×1014m3, 2018年產(chǎn)量為6.965×1012m3, 2019年為9.201×1012m3, 預(yù)計(jì)到2035年開發(fā)比例將達(dá)到26%。

北極亞馬爾天然氣項(xiàng)目2020年產(chǎn)出LNG 1880萬噸。中俄雙方的天然氣供應(yīng)合同約定2018—2038年, 亞馬爾項(xiàng)目將每年為中國供應(yīng)300萬噸LNG。

2019年, 中俄雙方簽署的Arctic LNG-2合作項(xiàng)目將在亞馬爾-涅涅茨地區(qū)建造3條年產(chǎn)量660萬噸的LNG生產(chǎn)設(shè)施。2021年, 中國石油天然氣集團(tuán)有限公司和中國海洋石油集團(tuán)有限公司與俄羅斯諾瓦泰克公司簽署了LNG購銷協(xié)議, 購銷合同量為每年396萬噸。

未來北極地區(qū)天然氣資源的不斷開發(fā), 為中國規(guī)?；M(jìn)口LNG提供了來源保障, 從北極地區(qū)進(jìn)口LNG的比重也將不斷提高。通過北極航道進(jìn)口北極地區(qū)LNG的運(yùn)輸距離將只有不足繞行蘇伊士運(yùn)河的1/3, 因此, 充分利用北極航道是中國能源進(jìn)口通道的重要保障之一。

1.2 北極海冰及航道通航現(xiàn)況

北極航道主要分為東北航道、西北航道以及中央航道。其中東北航道經(jīng)過俄羅斯北部海域,從太平洋進(jìn)入白令海峽, 自東向西依次途經(jīng)楚科奇海、德朗海峽、東西伯利亞海、拉普捷夫海、維利基茨基海峽、喀拉海、巴倫支海, 到西面的摩爾曼斯克港或挪威北角。東北航道的海冰消融速度較其他航道更快, 并且通航條件更為良好。從亞馬爾地區(qū)到白令海是東北航道的主要部分,該段由俄羅斯管轄的航道被稱為北方海航道, 其水域邊界以及海域分布見圖1。

圖1 北方海航道水域邊界(基于俄羅斯北方海航道管理局地圖繪制)Fig.1.Boundary of the northern sea passage (drawing based on the map from The Northern Sea Route Administration)

航道冰情是影響北方海航道通航的主要因素。冬季時, 北方海航道中包括喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚科奇海在內(nèi)的海域冰情嚴(yán)重; 夏季時, 浮冰主要集中在維利基茨基海峽區(qū)域、桑尼科夫海峽區(qū)域、拉普捷夫海部分海域以及東西伯利亞海部分海域[1]。根據(jù)俄羅斯《北方海航道航行規(guī)則》, 經(jīng)過北方海航道需要視冰情和船舶狀況繳納破冰引航費(fèi)用。規(guī)則規(guī)定Arc7冰級的船舶可在夏秋季節(jié)獨(dú)立航行于所有海域, 冬春季節(jié)除喀拉海外的其他海域需在破冰引航服務(wù)下航行。而位于新西伯利亞群島的桑尼科夫海峽和德米特里·拉普捷夫海峽, 以及位于北地群島的維利基茨基海峽和肖考斯凱海峽為強(qiáng)制引航水域, 因此船舶在夏秋季節(jié)也需繳納一定的破冰引航費(fèi)用[9]。

美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心信息顯示北極海冰覆蓋范圍不斷縮小, 1978—2020年間以每年5.1%的速度線性減少。北極海冰的加速消融不僅有利于北極近海油氣資源的開發(fā), 對于北極航道的通航窗口期、運(yùn)輸條件都有正面的影響。

利用東北航道進(jìn)行的海運(yùn)活動分為跨北極運(yùn)輸、以北極為起訖點(diǎn)的運(yùn)輸?shù)?。利用北極東北航道進(jìn)行海上運(yùn)輸可以縮短航行距離、增加航次、降低航速、提高船舶能效以及減少溫室氣體排放。在東北航道通航條件改善的前提下, 各國開始利用東北航道進(jìn)行商業(yè)運(yùn)輸。東北航道的過境航次以及貨運(yùn)量在近年都呈持續(xù)增大的趨勢(圖2), 過境貨運(yùn)量由2015年的3.9萬噸上升至2020年的128.1萬噸。截至2020年, 從薩貝塔(Sabetta)港口運(yùn)輸?shù)腖NG航次數(shù)為254次。自西向東運(yùn)輸LNG的航次數(shù)為33次, 其中25個航次的目的地為中國, 這表明中國是北極天然氣在遠(yuǎn)東市場的主要客戶之一。

圖2 2015—2020年東北航道過境貨運(yùn)量Fig.2.Transit volume of Northeast Passage from 2015 to 2020

2 基于航運(yùn)全成本的北極LNG船隊(duì)配置模型建立

2.1 北極LNG船隊(duì)船型配置思路

在進(jìn)行北極運(yùn)輸船隊(duì)船型配置研究的過程中,主要采取成本分析法對不同船型的船隊(duì)進(jìn)行分析。20世紀(jì)70年代以后, 在國際航運(yùn)中, 成本的構(gòu)成被劃分為資金成本、經(jīng)營成本以及航次成本。其中資金成本是指船舶購置資金, 一般來說可以將船舶年折舊費(fèi)作為年度資金成本。經(jīng)營成本是為保持船舶處于適航狀態(tài)所產(chǎn)生的經(jīng)常性支出, 包括船員工資、船舶維修費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)用等。而航次成本是船舶從事特定航次的運(yùn)輸所產(chǎn)生的費(fèi)用, 包括燃油費(fèi)、港口運(yùn)河費(fèi)、引航費(fèi)用等。

由于北極航道的高緯度特性, 航道受自然條件影響在不同季節(jié)下存在不同的冰情。與此同時,不同航段在同一季節(jié)下冰情也不盡相同。因此,LNG船舶在不同季節(jié)以及冰區(qū)內(nèi)不同航段上的航行速度均不相同, 對應(yīng)的燃油消耗、航行時間也隨著季節(jié)和航段冰情發(fā)生變化。北極東北航道LNG運(yùn)輸航線的冰區(qū)內(nèi)航段分為喀拉海航段、拉普捷夫海航段、東西伯利亞海航段、楚科奇海航段, 具體分布見圖3。根據(jù)谷歌地圖測距可得北方海航道LNG運(yùn)輸航線各航段長度分別為: 喀拉海航段146海里、拉普捷夫海航段696海里、東西伯利亞海航段577海里、楚科奇海航段374海里、暢水航段3810.53海里。

圖3 北方海航道LNG運(yùn)輸航線航段分布(基于GS(2016)1611號的標(biāo)準(zhǔn)地圖繪制)Fig.3.Section distribution of LNG transportation routes in the North Sea Route (drawing based on the standard map of GS(2016)1611)

夏秋季節(jié)窗口時間內(nèi), 北方海海冰消融、浮冰較少, Arc7的船舶僅在喀拉海航段以及東西伯利亞海航段需要破冰引航服務(wù); 冬春季節(jié)北方海航道冰情嚴(yán)重, 船舶在除喀拉海西南部的其他區(qū)域都需要破冰引航服務(wù)。船舶航行速度關(guān)系到航次時間, 并影響船隊(duì)構(gòu)成的規(guī)模, 因此, 根據(jù)北極航道過往船舶的歷史航行數(shù)據(jù), 結(jié)合各航段的冰情, 可以計(jì)算分析出LNG船舶在各航段的航行速度。當(dāng)冰情嚴(yán)重時, 船舶航行速度由核動力破冰船船速確定, 一般為3～5節(jié)。不同季節(jié)各航段LNG船的航速及航行時間見表1。

表1 不同季節(jié)各航段LNG船的航速情況Table 1.Speed of the LNG vessel in different seasons and sections

此外, 北方海航道的引航費(fèi)率在不同季節(jié)、不同航行區(qū)域也有不同的規(guī)定, 對航次成本有一定影響。綜合北極航道各航段航行時間、航段破冰引航狀況等, 通過模擬計(jì)算不同季節(jié)航段營運(yùn)時間、各項(xiàng)耗費(fèi), 在全成本分析的基礎(chǔ)上構(gòu)造北極航道LNG船隊(duì)船型配置模型, 以單位運(yùn)輸成本最低為目標(biāo), 得出最具運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的LNG船隊(duì)規(guī)模, 優(yōu)化配置研究過程見圖4。

圖4 北極LNG船隊(duì)船型配置研究過程Fig.4.Establishment of the optimization model to deploy fleet of LNG vessels on the Arctic routes

2.2 LNG船隊(duì)優(yōu)化配置模型建立

根據(jù)對北極航道LNG航線船隊(duì)優(yōu)化配置過程的分析, 以北極LNG航線全航運(yùn)成本的視角,建立北極LNG航線船隊(duì)船型優(yōu)化配置模型, 并以單位LNG運(yùn)輸成本作為優(yōu)化指標(biāo)來衡量不同裝載容量的船舶所組成船隊(duì)的運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性。模型構(gòu)建的基本假設(shè)為: 同一支船隊(duì)都由同類大小的船型組成; 船舶冰級相同, 目前Arc7在北極航行最為普遍。由此, 可以通過模型分析比較得出最優(yōu)運(yùn)輸船隊(duì)構(gòu)成。具體模型建立如下:

模型中f(X,M)、g(X,M)、h(X,M,V,N)、y(M,X,N)分別表示船隊(duì)的年資金成本、船隊(duì)年經(jīng)營成本、船隊(duì)年航次成本以及船隊(duì)年LNG運(yùn)輸量。其中,CLNG為單位LNG運(yùn)輸成本,X為單船運(yùn)輸規(guī)模,M為船隊(duì)規(guī)模,Q為LNG年目標(biāo)運(yùn)輸量,N為單船年航次數(shù)。公式(1)為最小單位LNG運(yùn)輸成本的計(jì)算模型, 約束條件式(2)代表船隊(duì)的年運(yùn)輸量要滿足年目標(biāo)運(yùn)輸需求以及船型選擇約束范圍條件, 在實(shí)際計(jì)算中可以考慮現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行設(shè)定和選擇。年運(yùn)輸量計(jì)算模型見式(3)。

式中,Nj為各季節(jié)單船航次數(shù);Sj為各季節(jié)通航天數(shù);θ1為LNG船實(shí)際裝載率;θ2為船舶營運(yùn)天系數(shù);Tj為各季節(jié)單船單航次時間, 2Tj為各季節(jié)單船往返航次時間;Tjk為單船單航次裝卸時間,k取1為裝, 取2為卸;e代表j的上界, 即季節(jié)數(shù);Djd為北極東北航線上各航段距離;Vjd為船舶在不同季節(jié)不同航段上的航行速度;m代表d的上界, 即航線所劃分的航段數(shù)。

考慮到北極東北航道的通航條件在不同季節(jié)有較大差異, 并且各個航段的冰情不同, 在計(jì)算單船航次時間時考慮了季節(jié)以及航段對其的影響,因此式(4)是在計(jì)算各季節(jié)內(nèi)單船航次數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算了單船全年綜合航次數(shù); 式(5)計(jì)算了各季節(jié)內(nèi)船舶以不同航速經(jīng)過東北航道各航段所需的時間, 并在此基礎(chǔ)上得出了單船單航次時間。船隊(duì)資金成本采取直線折舊建立計(jì)算模型, 見式(6)。

其中,P表示單船造價, 與單船運(yùn)輸規(guī)模X有關(guān);U表示單船殘值, 與單船運(yùn)輸規(guī)模X有關(guān);n為船舶的使用年限。

船隊(duì)經(jīng)營成本計(jì)算模型見式(7), 包括了保險(xiǎn)費(fèi)用、維修費(fèi)用、船員工資以及消耗品及備品費(fèi)用。

式中,r1為年基本保險(xiǎn)費(fèi)率;r2為冰區(qū)附加險(xiǎn)費(fèi)率;r3為年維修提存費(fèi)率; ?為單船船員人數(shù);w為船員平均年工資;β為消耗品及備品占工資的百分比。

船隊(duì)年航次成本計(jì)算模型見式(8), 主要包括單船年燃油成本(Co)、單船年LNG燃料成本(Cl)、單船年潤滑油成本(Cr)、單船年引航費(fèi)用(Cp)和單船年港口費(fèi)用(Cg), 各部分航次成本的計(jì)算模型見公式(9)～(13), 其中式(10)～(12)體現(xiàn)了全成本模型基于季節(jié)和航段差異對LNG船的燃潤費(fèi)以及引航費(fèi)進(jìn)行的計(jì)算。

式中,r4為燃油費(fèi)率;a為主機(jī)耗油率;b為船舶功率;Tjd為單船在不同季節(jié)不同航段的航行時間;VX為船舶設(shè)計(jì)航速;r5為LNG燃料費(fèi)率;θ3為船舶燃油與LNG消耗比率;θ4為LNG損耗率;r6為潤滑油費(fèi)率;c為潤滑油耗油率;rjs為各季節(jié)東北航道各航段引航費(fèi)率;Pjs為各季節(jié)北方海航道各海域需破冰引航概率, 其值取1或0;s為北方海航道各個海域;u為s的上界, 代表北方海航道的海域數(shù);GT為船舶總噸;NT為船舶凈噸;r7為裝港與卸港系解纜費(fèi)率之和;r8為裝港與卸港引航費(fèi)率之和;rjk為裝/卸港停泊費(fèi)率。

總體上, 北極LNG船隊(duì)船型優(yōu)化配置模型的設(shè)計(jì), 以不同季節(jié)和不同航段劃分為基礎(chǔ), 并逐步展開進(jìn)行模型構(gòu)建(實(shí)際模型運(yùn)算中可將全年分為夏秋季節(jié)和冬春季節(jié)兩個時期)。船隊(duì)的年航次數(shù)則通過船隊(duì)年目標(biāo)運(yùn)輸量和單船的裝載容量相結(jié)合進(jìn)行運(yùn)算, 得出基于不同航段和不同時期計(jì)算的單船年航次數(shù)后, 進(jìn)一步結(jié)合船隊(duì)年航次數(shù), 計(jì)算得出不同裝載容量大小的LNG船在滿足年目標(biāo)運(yùn)輸量下需要的船隊(duì)規(guī)模。進(jìn)一步將不同季節(jié)不同規(guī)模的LNG船隊(duì)的航次成本進(jìn)行合成計(jì)算分析, 以全成本為基礎(chǔ), 分析得出船隊(duì)總運(yùn)輸成本以及單位LNG運(yùn)輸成本,通過比較擇優(yōu), 得出最具經(jīng)濟(jì)性的LNG船隊(duì)船型配置。

3 北極LNG船隊(duì)船型配置模型優(yōu)化運(yùn)行

根據(jù)所構(gòu)建的北極LNG運(yùn)輸船隊(duì)配置模型,結(jié)合現(xiàn)實(shí)LNG運(yùn)輸需求, 選取多個裝載容量(立方數(shù))的LNG船型作為具體方案, 計(jì)算得出未來最具運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的LNG船型以及船隊(duì)規(guī)模。

3.1 航線設(shè)定及目標(biāo)運(yùn)輸量確定

在通過北極東北航道進(jìn)口LNG的航線中, 假設(shè)上海港為北極LNG進(jìn)口運(yùn)輸接收站, 航線設(shè)定為: 薩貝塔港—喀拉?！战莘蚝！獤|西伯利亞?！似婧！琢詈{—上海。

年目標(biāo)運(yùn)輸量則根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和北極項(xiàng)目的進(jìn)展確定。世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示2019年中國通過海運(yùn)從俄羅斯進(jìn)口的LNG占總進(jìn)口量的3.9%, 并且該占比在近五年的平均增長率為57.1%[10], 因此可推算未來三年從俄羅斯進(jìn)口的LNG占總進(jìn)口量的比例將分別提高至6.17%、9.70%、15.3%。根據(jù)Clarkson公司[11]預(yù)測, 2020—2022年的海上LNG進(jìn)口量將分別達(dá)到6417.5萬噸、7310萬噸、8032.5萬噸。綜合以上數(shù)據(jù)可以推算得出, 未來中國將從俄羅斯進(jìn)口396萬～1229萬噸的LNG。在中國同俄羅斯簽訂天然氣供應(yīng)合同的情況下, 北極亞馬爾項(xiàng)目每年將為中國提供300萬噸LNG; 北極LNG-2項(xiàng)目每年將為中國提供396萬噸LNG。綜合中國對俄羅斯液化LNG的需求預(yù)測以及合同確定的北極LNG供應(yīng)量, 模型運(yùn)行中采用700萬噸作為中國從北極進(jìn)口LNG的年目標(biāo)運(yùn)輸量。

3.2 船舶冰級確定

根據(jù)哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù), 目前東北航道沿線海域很少存在兩年及以上的多年冰,且歷年冬春季節(jié)海冰厚度可達(dá)1.2 m。從東北航道冰情角度出發(fā), 結(jié)合各級抗冰船通航抗冰能力可知Arc7、Arc6抗冰船可在東北航道全年通航,Arc6以下的抗冰船需要破冰船協(xié)助引航, 各級抗冰船通航抗冰能力見表2。然而《北方海航道航行規(guī)則》規(guī)定在航道冰情嚴(yán)重時, Arc7等級以下的抗冰船即使在破冰船協(xié)助下也無法在其中部分航段通航。此外, 從北方海航道主要通航船舶冰級統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看, Arc7抗冰船的航次數(shù)最多, 容易被船東接受。2019年北方海航道全年航次數(shù)為2694次, 其中Arc7抗冰船航次數(shù)為1030次。綜合以上因素, 本文采用認(rèn)可度和覆蓋面廣的Arc7作為模型中船舶冰級。

表2 各級船舶通航抗冰能力Table 2.The navigable ice-resistant capability of ships with different ice class

3.3 模型運(yùn)行的其他參數(shù)設(shè)置

根據(jù)航運(yùn)市場的歷史數(shù)據(jù)分析, LNG船舶大型化趨勢明顯。因此, 分別選取裝載容量范圍在12萬～24萬立方米內(nèi), 且變化量為0.5萬立方米的24類LNG船型為船隊(duì)的配置變化量進(jìn)行船隊(duì)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化比較分析。X、GT、b、NT等變量與LNG船舶的裝載容量、性能有關(guān), 其參數(shù)根據(jù)Clarkson公司LNG貿(mào)易與運(yùn)輸報(bào)告中的實(shí)船以及天然氣體積質(zhì)量換算公式進(jìn)行分析選取。

俄羅斯北方海航道管理局將北方海航道的通航期分為夏秋季節(jié)(6—11月)和冬春季節(jié)(12月至次年5月), 在模型運(yùn)算中也將采用這兩個時期的季節(jié)參數(shù), 即j取1、2。此外, 北方海的破冰引航費(fèi)率按7個區(qū)域進(jìn)行分別收取, 因此s取1～7。Arc7船舶在北方海各區(qū)域引航費(fèi)率見表3、4?；诒狈胶１榈募竟?jié)性特征以及北方海航道管理局的規(guī)定, 夏秋季節(jié)時, Arc7的LNG船舶除在拉普捷夫海西部、東西伯利亞海西南部需引航外,其余區(qū)域無需引航, 即P13=P15= 1,P11=P12=P14=P16=P17= 0; 冬春季節(jié)時, Arc7的船舶在喀拉海西南部以外的海域都需引航, 即P12=P13=P14=P15=P16=P17= 1,P11=0。根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況, 模型其他相關(guān)參數(shù)的選取見表5。

表3 Arc7船舶在北方海各區(qū)域引航費(fèi)率(船舶總噸: 40000～100000)Table 3.Icebreaking and pilotage rates in different regions of the Northern Sea Route for Arc7 class vessels (Gross ton:40000～100000)單位: 元/總噸

表4 Arc7船舶在北方海各區(qū)域引航費(fèi)率(船舶總噸: ＞100000)Table 4.Icebreaking and pilotage rates in different regions of the Northern Sea Route for Arc7 class vessels (Gross ton:＞100000)單位: 元/總噸

表5 模型參數(shù)設(shè)置Table 5.Model parameter setting

續(xù)表

3.4 模型運(yùn)行結(jié)果分析

3.4.1 季節(jié)對于北極航道LNG航線單船運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的影響

不同季節(jié)對于北極LNG航線船舶的航速、燃油費(fèi)、引航費(fèi)等有著較大的影響, 總體來看冬春季節(jié)的單船航次成本遠(yuǎn)高于夏秋季節(jié), 平均高出173%。

由于船舶燃油的消耗同航速的三次方成正比,這使得航次成本中的燃油成本因?yàn)楹剿僮兓纬杉竟?jié)性變動, 即使低航速航行使得冬春季節(jié)航次時間延長, 但其航次燃油油耗并不比夏秋季節(jié)高。而船型越大, 船舶需要裝備更大功率的主機(jī),因此航次燃油成本也越高, 見圖5, 夏季航次燃油成本整體比冬春季高, 并隨船型增大波動上升,冬春季相對穩(wěn)定上升。

圖5 北極航道不同季節(jié)的單船航次燃油成本Fig.5.Fuel costs of per voyage in different seasons in the Arctic Passage

從北方海航道引航費(fèi)看, 不同通航期收取的引航費(fèi)用不同。船舶總噸在40000～100000之間的船舶, 夏秋季節(jié)的引航總費(fèi)率為61.285元/總噸, 而冬春季節(jié)需引航區(qū)域的總費(fèi)率高達(dá)473.944元/總噸。船舶總噸在100000以上的, 夏秋季節(jié)的引航總費(fèi)率為36.771元/總噸, 而冬春季節(jié)需引航區(qū)域的總費(fèi)率高達(dá)284.344元/總噸。在船舶總噸一定的情況下, 冬春季節(jié)的引航費(fèi)用約為夏秋季節(jié)的7.74倍, 大大增加了航次成本。單船引航費(fèi)用變化見圖6, 引航費(fèi)用隨船舶增大而變化的趨勢中,冬春季節(jié)和夏秋季節(jié)存在著明顯的差距。除通航季節(jié)和引航區(qū)域外, 北方海航道對于引航費(fèi)用還按船舶總噸進(jìn)行分級設(shè)定費(fèi)率。裝載容量為15.5萬立方米的船舶總噸突破100000, 引航費(fèi)率大幅減少, 導(dǎo)致引航費(fèi)大幅降低。因此, 通航季節(jié)對船舶引航費(fèi)用的影響遠(yuǎn)高于對船舶航次燃油費(fèi)用的影響。

圖6 北極東北航道不同季節(jié)單船引航費(fèi)用Fig.6.Single vessel pilotage fees in different seasons in the Arctic Northeast passage

全成本模型包括了燃料費(fèi)、潤滑油費(fèi)、引航費(fèi)、港口費(fèi)等在內(nèi)的成本, 運(yùn)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)夏秋季節(jié)不同規(guī)模的單船往返航次總成本遠(yuǎn)低于冬春季節(jié), 見圖7。

圖7 基于全成本模型的北極東北航道不同季節(jié)單船航次成本Fig.7.Cost of single voyage in different seasons of the Arctic Northeast passage

3.4.2 不同船型的LNG船隊(duì)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性比較

由于不同裝載容量的船舶實(shí)載貨量亦不同,完成700萬噸年運(yùn)輸量的年航行總次數(shù)不同。船舶可裝載立方數(shù)越大, 完成700萬噸所需總航次越少, 相應(yīng)的船隊(duì)單船數(shù)量就越少。全成本模型輸出的不同裝載立方數(shù)船舶組成的LNG船隊(duì)規(guī)模如圖8所示。隨著船舶裝載立方數(shù)的增加, 船隊(duì)數(shù)量規(guī)模逐漸變小, 但是船隊(duì)的裝載能力變化不大。

圖8 不同立方數(shù)船舶所配置船隊(duì)船舶數(shù)量(括號內(nèi)數(shù)字為裝載能力, 單位為萬立方米)Fig.8.Number of ships in fleets with different cubic numbers (the number in brackets is the loading capacity and its unit is 10,000 cubic meters)

在利用北極東北航道進(jìn)行年700萬噸的LNG運(yùn)輸過程中, 船隊(duì)的航次成本在總運(yùn)輸成本中占比最大, 主要原因是北方海航道高昂的引航費(fèi)。而船隊(duì)年資金成本以及年經(jīng)營成本在運(yùn)輸總成本中占比卻較低?？偝杀炯案黜?xiàng)構(gòu)成成本隨著單船規(guī)模的擴(kuò)大, 其下降趨勢逐漸趨緩, 見圖9。

圖9 不同船型的船隊(duì)運(yùn)輸成本比較Fig.9.Comparison of transportation costs of fleets with different ship types

船隊(duì)年航次成本隨著單船裝載立方數(shù)的增加,波動明顯?？傮w上, 在LNG單船裝載量越大, 船隊(duì)船舶數(shù)量越少的情況下, 船隊(duì)全年航次總成本越低。而下降過程中的波動與北方海航道按船舶總噸分級收取引航費(fèi)用有關(guān)。同一收費(fèi)區(qū)間的船舶總噸越大, 引航費(fèi)用越高。船隊(duì)的資金成本即船隊(duì)年折舊費(fèi)用在船型擴(kuò)大, 船隊(duì)規(guī)?？s小的同時波動下降, 但趨勢不明顯。而船舶經(jīng)營成本也隨著單船立方數(shù)的增加, 呈波動下降趨勢。

從模型輸出的單位運(yùn)輸成本變化來看, 船隊(duì)的單位運(yùn)輸成本隨著船型的增大而波動下降, 見圖10。因此, 船舶大型化使北極LNG運(yùn)輸存在一定的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。在所輸入的所有船型中, 單船為24萬立方米所組成的船隊(duì), 其單位LNG運(yùn)輸成本最低, 每噸LNG的運(yùn)輸成本為415.8元。因此在滿足LNG年目標(biāo)運(yùn)輸量700萬噸的前提條件下, 8艘24萬立方米船型組成的LNG船隊(duì)的配置方案最為經(jīng)濟(jì)。目前中遠(yuǎn)海運(yùn)能源在亞馬爾項(xiàng)目中投資建設(shè)了14艘17.2萬立方米的ARC7冰級LNG船, 根據(jù)全成本模型運(yùn)算對比現(xiàn)有運(yùn)輸需求, 其運(yùn)力還有過剩。

圖10 不同船型船隊(duì)單位運(yùn)輸成本Fig.10.Unit transportation cost of fleets with different ship types

考慮到未來北極天然氣的開發(fā)情況以及我國日益擴(kuò)大的LNG進(jìn)口需求, 對全成本模型LNG目標(biāo)運(yùn)輸量分別變化為1000萬噸、1500萬噸, 并進(jìn)一步對船型配置的經(jīng)濟(jì)性展開研究, 經(jīng)運(yùn)算發(fā)現(xiàn): 目標(biāo)運(yùn)輸量的變化會使不同船型的船隊(duì)規(guī)模發(fā)生變化, 但是其單位LNG運(yùn)輸成本的變化趨勢保持不變。在所有船隊(duì)配置中, 仍然是由24萬立方米大小的LNG船型組成的船隊(duì)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性最佳。這表明未來在北極LNG航線上, 通過增加24萬立方米LNG船的數(shù)量就能夠在保證經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上滿足擴(kuò)張的LNG進(jìn)口運(yùn)輸需求。

3.5 北極東北航線LNG運(yùn)輸趨勢分析

目前, 夏秋季節(jié)時, 中國通過北極東北航線從俄羅斯進(jìn)口LNG; 冬春季節(jié)時, 中國通過蘇伊士運(yùn)河運(yùn)輸LNG。而隨著北極海冰的消融, 俄羅斯北方海航道通航期不斷延長, 使得北極東北航道全年通航成為可能。在北極天然氣開采力度不斷加大, 中國天然氣需求持續(xù)增長, 以及中俄能源合作不斷加深的背景下, 北極東北航線的LNG運(yùn)輸量將會在未來持續(xù)增加。

據(jù)研究表明, 在全球氣候變暖的趨勢下, 北極的夏季氣溫上升程度有限, 冬季氣溫上升程度明顯。因此北極海冰變化也存在季節(jié)性差異, 冬季海冰覆蓋范圍以及海冰厚度改善程度較大。相應(yīng)地, 冬季通航條件的改善將較夏季更明顯, 在航次時間明顯縮短以及船舶航次數(shù)增加的條件下, 北極東北航線冬季的LNG運(yùn)輸量將有大幅的增加。北極東北航線LNG運(yùn)輸量將在季節(jié)上逐漸均衡。

在一定的運(yùn)輸量下, 對約束范圍內(nèi)不同容量的船舶進(jìn)行船隊(duì)組合以及運(yùn)輸成本的分析結(jié)果表明, 船型越大, 運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性越佳。將目標(biāo)運(yùn)輸量變化增加后進(jìn)行的分析計(jì)算結(jié)果表明, 由24萬立方米的LNG船舶組成的船隊(duì), 即使相對船舶數(shù)量規(guī)模較小也能在保證經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上滿足未來擴(kuò)張的LNG運(yùn)輸需求。因此未來北極東北航線上LNG的運(yùn)輸船隊(duì)將向船型大型化、規(guī)模精減化發(fā)展。

4 結(jié)論

本文綜合考慮了不同季節(jié)以及北極航道各航段差異對于船隊(duì)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的影響, 基于全成本構(gòu)建了北極LNG航線船隊(duì)船型配置模型。通過模型運(yùn)算, 對滿足年進(jìn)口運(yùn)輸量700萬噸的案例進(jìn)行了詳細(xì)分析, 選取了不同裝載立方數(shù)的船型參數(shù), 計(jì)算了其對應(yīng)的船隊(duì)規(guī)模。分析了不同規(guī)模單船組成的船隊(duì)總成本, 并以單位運(yùn)輸成本為優(yōu)選指標(biāo), 對比分析了各種組合的船隊(duì)從北極薩貝塔港出發(fā), 通過北極東北航道進(jìn)口LNG的經(jīng)濟(jì)性。得出的主要結(jié)論如下。

1.全成本模型的構(gòu)建為北極航道分季節(jié)、分航段的復(fù)雜組成奠定了經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ), 也為冰雪航道船隊(duì)運(yùn)營決策提供了解決方法。通過北極航道復(fù)雜性研究構(gòu)造的航運(yùn)全成本模型具備了開放式結(jié)構(gòu), 并以船隊(duì)分析為基礎(chǔ), 以成本最小化為目標(biāo), 為泛航道經(jīng)濟(jì)性研究提供了理論分析基礎(chǔ)。

2.通過全成本模型運(yùn)算, 不同通航季節(jié)對北極航行船舶的運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性存在著差距較大的影響。冬春季節(jié)的單船往返航次中的燃油成本要低于夏秋季節(jié)。而冬春季節(jié)的引航費(fèi)卻是夏秋季節(jié)的約7.74倍。綜合來看, 冬春季節(jié)的航次成本遠(yuǎn)高于夏秋季節(jié)。結(jié)合冬春季節(jié)航次時間長、東北航道冰情嚴(yán)重, 危險(xiǎn)因素多等的原因, 船隊(duì)在安排航次時應(yīng)考慮季節(jié)因素, 謹(jǐn)慎選擇通航期。

3.總體上, 船型越大, 實(shí)載貨量越多, 完成年運(yùn)輸需求的航次數(shù)越少, 相應(yīng)的船隊(duì)單船數(shù)量規(guī)模越小。而隨著船隊(duì)中單船可裝載立方數(shù)的增加, 船隊(duì)的航次成本、經(jīng)營成本、資金成本都呈總體下降趨勢, 且下降過程中略有波動?？梢?LNG船舶的大型化對于利用北極東北航道進(jìn)口LNG具有一定的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。在完成700萬噸進(jìn)口運(yùn)輸量案例的模型運(yùn)算比較中, 由8艘24萬立方米LNG船組成的船隊(duì)組合, 其運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性最好, 單位運(yùn)輸成本最低。并且應(yīng)對未來LNG進(jìn)口需求的增長, 亦可通過增加24萬立方米LNG船型的數(shù)量來滿足擴(kuò)張, 并保證其經(jīng)濟(jì)性。

4.在船隊(duì)運(yùn)輸中, 北極航道航運(yùn)全成本中的航次成本所占比重最大。主要原因是經(jīng)過北極東北航道需要繳納高額的引航費(fèi)用, 因此引航費(fèi)率對于船隊(duì)的年運(yùn)輸總成本影響最大。目前可以通過多艘商船共同租用破冰船的方式節(jié)約破冰費(fèi)用,但這需與北極航道高度商業(yè)化通航的基本條件相配合, 而共享破冰船的商業(yè)模式也會使航次時間進(jìn)一步延長。未來若能通過中俄合作使俄羅斯北方海航道管理局調(diào)整降低引航費(fèi)率, 將節(jié)約單船的航次成本以及船隊(duì)的年運(yùn)輸總成本。

隨著中俄兩國共建“冰上絲綢之路”的合作深化, 北極天然氣資源的進(jìn)一步開發(fā)以及北極東北航道通航條件的不斷改善, 中國從俄羅斯增加LNG進(jìn)口是一種必然趨勢?；谶@種現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)和對未來的展望, 在組建船隊(duì)組合時應(yīng)以航運(yùn)全成本模型運(yùn)算為理論基礎(chǔ), 決策選擇單位運(yùn)輸成本最低的運(yùn)輸船隊(duì), 并在夏秋季節(jié)投放更多的船舶進(jìn)行航行活動。